金屬材料的腐蝕與防護措施研究

王亞健

前言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，鋼鐵等金屬材料的產(chǎn)量和消耗量日益增大，這些金屬材料在長期使用過程中，面臨的一個主要問題就是腐蝕問題，腐蝕會造成材料損壞，影響其性能作用的有效實現(xiàn)。為確保金屬材料的使用性能，明確金屬材料腐蝕的原因，采取科學(xué)的防腐措施，實現(xiàn)金屬材料性能的優(yōu)化，延長金屬材料使用壽命已成為相關(guān)領(lǐng)域研究的重點。

1 金屬材料的腐蝕及其危害

1.1 金屬材料的腐蝕

金屬材料的腐蝕是指金屬材料與其周圍介質(zhì)接觸時發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的一種破壞金屬材料自身的現(xiàn)象。自然界中，大部分金屬以其各種化合物形式存在，而金屬元素的化學(xué)活性通常高于其化合物，因此這些金屬會自發(fā)地演變成它們在自然界中的本身存在狀態(tài)，所以金屬腐蝕是自發(fā)的、普遍存在的一種現(xiàn)象，是不可避免的。

根據(jù)金屬材料腐蝕發(fā)生的機理，通?？蓪⒏g分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指金屬材料與周圍介質(zhì)中存在的非電解質(zhì)發(fā)生接觸后，發(fā)生了氧化還原化學(xué)反應(yīng)，是金屬表面的原子與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生直接作用而形成的腐蝕現(xiàn)象，如金屬材料在有機溶液（芳香烴、原油等）中所發(fā)生的腐蝕。電化學(xué)腐蝕主要是指金屬材料與電解質(zhì)進行接觸后，金屬表面與電解質(zhì)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而形成吸氫腐蝕或析氫腐蝕的腐蝕現(xiàn)象，如碳鋼與空氣中的氧氣、二氧化碳以及水等發(fā)生吸氧或析氫作用，最后變成鐵銹。

1.2 腐蝕的危害

腐蝕會弱化金屬材料的強度和機械性能，縮短其使用壽命，甚至造成金屬材料無效化，造成經(jīng)濟損失。據(jù)報道，我國2014年由腐蝕造成的經(jīng)濟損失就已超過2萬億人民幣。在世界范圍內(nèi)，腐蝕引起的經(jīng)濟損失超出想象。腐蝕引起的損失還包括金屬冶煉與回收金屬時消耗的能源[1]。同時腐蝕也會引起土地資源和水資源的污染。腐蝕還會造成工業(yè)設(shè)備、橋梁建筑和船舶等設(shè)備設(shè)施的損壞，輕則造成經(jīng)濟損失，重則會危害人身安全，許多的事故就是由腐蝕直接或者間接導(dǎo)致的。因此，金屬材料的防腐蝕研究意義重大。

2 金屬材料的腐蝕防護措施

2.1 科學(xué)合理的選材

科學(xué)合理的選材是金屬材料防腐措施中的基礎(chǔ)措施。①應(yīng)對材料的應(yīng)用環(huán)境及潛在的腐蝕因素進行調(diào)研分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇。②建立模擬環(huán)境進行測試實驗或進行數(shù)值模擬預(yù)測研究[2]，根據(jù)模擬測試結(jié)果合理選用滿足使用需求的材料。此外，應(yīng)綜合衡量材料的經(jīng)濟性和耐腐蝕性，選用不同層次的耐蝕合金，如304、316型等通用不銹鋼、奧氏體不銹鋼（20號合金）和鈦、鈦合金及鋯材等。

2.2 改善金屬材料構(gòu)成

基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與制造工藝技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，對不同性能的金屬材料進行優(yōu)化設(shè)計，或在原金屬材料的基礎(chǔ)上適當(dāng)添加其他材料或合金元素進行整體性能的提升，從而增強材料的抗腐蝕性，防止或減緩腐蝕，如在普通的碳鋼中加入鎳鉻等元素制成不銹鋼可以增強防腐蝕能力。

2.3 控制和改善腐蝕環(huán)境

通過控制和改善腐蝕環(huán)境對減緩和防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生同樣具有重要意義。例如減少腐蝕介質(zhì)的濃度、除去介質(zhì)中的氧、控制環(huán)境溫度和濕度等因素都可以減緩和防止金屬的腐蝕。此外，也可向腐蝕介質(zhì)中添加能降低腐蝕速率的物質(zhì)（緩蝕劑）來減緩和防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

2.4 電化學(xué)保護

電化學(xué)保護法是根據(jù)電化學(xué)原理在金屬材料上采取相應(yīng)的措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，進而防止或減緩材料腐蝕的發(fā)生。一種是通過外加電流，使要被保護的金屬成為陰極，而另外一極則為陽極，從而使得陰極金屬被保護免于遭受腐蝕。另一種方法則是犧牲陽極保護法，即將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強的金屬將作為負極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕。電化學(xué)保護法通常用于海水、河流中的船舶、設(shè)備或土壤中管道設(shè)備的腐蝕防護工作，常用的犧牲陽極材料有鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極等。

2.5 表面涂層防護

通過在金屬表面涂裝保護性覆蓋層，隔絕金屬與腐蝕介質(zhì)之間直接接觸，或者利用涂裝層對基本金屬的電化學(xué)保護或緩蝕作用，從而達到防止金屬腐蝕的目的。金屬的表面處理方法有很多種，保護性覆蓋層的形成主要以金屬鍍層、非金屬涂層為主，處理工藝主要有電鍍、化學(xué)鍍、機械鍍、表面涂覆等工藝方法。其中電鍍技術(shù)具有工藝簡單，工藝參數(shù)易于控制，成本低等優(yōu)點，在金屬防腐中被廣泛應(yīng)用[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，金屬材料具有重要的應(yīng)用價值，金屬材料的腐蝕防護工作也是科技工作者研究的重要課題。目前，隨著對金屬材料腐蝕工作的深入研究，金屬材料防腐技術(shù)與工藝已取得了一定的成效，但部分具備強抗腐蝕能力的新材料由于成本原因在推廣使用過程中受到限制，一些防腐工藝方法也面臨危害環(huán)境、工藝成本高、操作條件復(fù)雜等問題。因此，進一步開展金屬材料的腐蝕防護措施研究具仍有重要研究價值與現(xiàn)實意義。

[1]王彩云.金屬腐蝕的危害及防護[J].機械管理開發(fā)，2012（5）：111～112.

[2]吳海鵬，王正曦，梁釗源，等.數(shù)值模擬在金屬腐蝕與防護領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2018（3）：142～148.

[3]白煜磊，王瀟，張志向.電化學(xué)法研究金屬防腐的新進展[J].天津化工，2018（1）：3～5.

[4]喻濟兵.電鍍鋅技術(shù)在工業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用[J].船電技術(shù)，2018（2）：35，49.